一种非视距紫外LED蒙特卡洛积分模型的多维抽样方法

本发明涉及无线紫外光通信，具体为一种非视距紫外led蒙特卡洛积分模型的多维抽样方法。

背景技术：

1、紫外光非视距通信主要是利用大气的散射来实现，大气中充满了各种微粒分子和气溶胶等物质，而散射使得这种通信不像激光那样需要完全对准才能发射与接收，大大降低了对于环境的要求，尤其是在一些电磁干扰和地形复杂的环境下，可以有效的避免直视通信易被干扰和某些方向信号衰减差异明显等问题。

2、在以往的研究中，非视距紫外光大气散射已经被许多基于光强均匀分布的散射模型所表征，忽略了不同光源在大气透射中的效果，没有针对性的对不同光源建立非视距紫外光大气传输模型。所以对非视距紫外光散射信道模型的准确建立对后续接收信号的解调、多用户发射功率分配、系统收发端几何调整以及紫外光定位功能的实现等都具有重要意义。

3、蒙特卡洛积分模型是一种概率积分方法，它首先将接收功率表示为一个关于光子传输参数的概率积分，然后采用蒙特卡洛积分求取此概率积分。在以往的研究中，蒙特卡洛积分法多采用均匀采样，计算效率低于蒙特卡洛仿真模型，本专利改进后的基于多维重点采样蒙特卡洛积分方法与蒙特卡洛仿真模型相比，其计算逻辑更清楚、计算结构更简单，且蒙特卡洛积分模型的计算效率可以通过采取不同的采样函数进行优化，具有更多的可扩展性，利于优化改进。

4、中国专利公开号为“cn112187358a”，名称为“移动场景下无线紫外光通信散射信道仿真方法”，该方法应用蒙特卡洛法和遍历微元法等建立了信道传输特性模型，研究了移动场景下的无线紫外光通信节点间相对运动速度和运动方向与散射信道特性之间的关系。。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种非视距紫外led蒙特卡洛积分模型的多维抽样方法，解决了紫外led光源被基于光强均匀分布的散射模型所表征和构造、以及均匀采样的蒙特卡洛积分模型计算量大的问题。

3、(二)技术方案

4、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

5、一种非视距紫外led蒙特卡洛积分模型的多维抽样方法，该方法具体包括如下步骤：

6、步骤1，使用紫外led作为光源；led光源特性分析，可以假设一个紫外led就是一个兰伯特光源，紫外led作为兰伯特光源时，其辐照度可由其光强度和离轴角得出，led的光强在近轴区域分布更密集，我们假设它在不同方位角的光强分布相同；

7、步骤2，多散射通道随机模型的建立，计算散射光子的接收概率；根据步骤1中led光源的特性，建立初始发射天顶角θ0，光子通过自由空间的传播距离l0、散射方位角所满足的概率分布函数，同时结合自由空间中发射光子的传播方向、传播距离，充分考虑紫外光在大气分子及气溶胶中的的散射情况，计算在3n维积分体积中的光子接收概率；

8、步骤3，在蒙特卡洛积分模型中加入多维重点采样方法；根据被积函数中的概率分布函数对随机变量进行抽样：对步骤2中传播距离l、散射相位函数θ、散射天顶角分别进行采样，使采样函数fn变为多维重要性采样函数。

9、步骤4，针对n阶散射最终接收概率表达式的封闭解析解计算难度大的问题，引入目标函数gn*，在积分体积v中随机生成n个点，每一个采样点可以由引入的目标函数相应计算出来。根据弱大数理论计算出最终的n阶散射信道的最终接收概率；

10、步骤5，分析所提出的蒙特卡洛积分模型多维重点采样方法的性能，通过在相同系统参数的情况下引入采样点数量与接收概率标准差，得出不同模型在达到相同数值的标准差所用采样点的数量，判断本利所述模型在收敛速度上的优越性。考虑到评价指标的单一，引入对不同模型给定数量相同采样点的计算持续时间，判断本专利所述模型在计算时间上的优越性。

11、进一步地，所述步骤1中，led的光强在近轴区域分布更密集，我们假设它在不同方位角的光强分布相同。

12、进一步地，所述步骤2中，θ0(初始发射天顶角)、l0(光子通过自由空间的初始传布距离)满足概率分布函数，(初始散射方位角)满足在[0,2π]之间的均匀分布，根据大气信道的散射系数和吸收系数计算出大气信道衰减系数，表示出发射光子的传播方向位于一个无穷小的角度dω0且传播距离在(l0,l0+dl0)的概率dq0，然后得出在传播距离li(i＝0,1,…,n-1)的末端，光子被大气散射而不是被大气吸收的概率为ks/ke。第i次散射的散射角θi(i＝0,1,…,n-1)可由瑞利散射和mie散射的加权相位函数求得，第i次散射的方位角满足与相同的均匀分布，第i个散射光子的传播方向位于无穷小的实心角dω0且在传播距离(li,li+dli)中的概率dqi，当光子离开第(n-1)个散射中心后到达第n个散射中心后，第n个散射中心的坐标向量rn可以通过使用前面(n-1)个步骤的参数来计算，同时引入一个指标函数tn(光子被大气散射的概率)来判断光子是否在视场内，光子在视场内取1，否则取0，由以上可求出光子在rn位置的探测概率pd，则n阶散射信信道的最终接收概率pn可在3n维的整体积分体积中求得。

13、进一步地，所述步骤3中，由于采样函数fn可以任意选择，不同的采样函数可以生成不同的目标函数，将采样函数fn变为重要性采样函数，应用均匀分布对散射天顶角进行采样时，散射方位角通过进行采样，其中rand(1)表示生成一个从0到1的随机数。

14、进一步地，所述步骤4中，在积分体积v中选择一个概率密度函数fn≠0，并将目标函数设定为：

15、

16、在积分体积v中随机生成n个点(x1,x2,…xn-1,xn)，那么每个采样点xk对应的函数值可由上式计算，

17、在对不同变量进行采样后，上式中的目标函数gn*可以通过下式计算：

18、

19、进一步地，所述步骤5中，设置最大散射阶数为4，仿真在相同系统参数时，不同采样数量下接收端概率的标准差δ通过50次模拟计算得出，然后抽样一个接收概率的标准差δ1，计算3种模型所用采样点的数量(g1,g2,g3)，数量越少说明模型的收敛速度越好。

20、(三)有益效果

21、与现有技术相比，本发明提供了一种非视距紫外led蒙特卡洛积分模型的多维抽样方法，具备以下有益效果：

22、本发明，相比于以往研究中假定光源是一个强度分布均匀的点，本发明通过光强分布曲线建立了led光源的模型，也就是用大量光子的初始分布来产生对led光源的模拟，更符合光源分布的实际情况。

23、本发明，改进了蒙特卡洛积分过程，加入了多维抽样方法，大大提高了采样效率，加快了蒙特卡洛积分过程的收敛速度，使该模型算法结构简单、计算速度快。

24、本发明，在计算n阶散射信道最终接收概率表达式时，结合多维采样后目标函数的采样值，可以得出在理论上可计算的最终接收概率的公式，使该计算结果更易得出，解决了最终接收概率在理论上不易得出的问题。

技术特征：

1.一种非视距紫外led蒙特卡洛积分模型的多维抽样方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种非视距紫外led蒙特卡洛积分模型的多维抽样方法，其特征在于：所述步骤1中，led的光强在近轴区域分布更密集，我们假设它在不同方位角的光强分布相同。

3.根据权利要求1所述的一种非视距紫外led蒙特卡洛积分模型的多维抽样方法，其特征在于：所述步骤2中，θ0(初始发射天顶角)、l0(光子通过自由空间的初始传布距离)满足概率分布函数，(初始散射方位角)满足在[0,2π]之间的均匀分布，根据大气信道的散射系数和吸收系数计算出大气信道衰减系数，表示出发射光子的传播方向位于一个无穷小的角度dω0且传播距离在(l0,l0+dl0)的概率dq0，然后得出在传播距离li(i＝0,1,,n-1)的末端，光子被大气散射而不是被大气吸收的概率为ks/ke。第i次散射的散射角θi(i＝0,1,,n-1)可由瑞利散射和mie散射的加权相位函数求得，第i次散射的方位角(i＝0,1,,n-1,n)满足与相同的均匀分布，第i个散射光子的传播方向位于无穷小的实心角dω0且在传播距离(li,li+dli)中的概率dqi，当光子离开第(n-1)个散射中心后到达第n个散射中心后，第n个散射中心的坐标向量rn可以通过使用前面(n-1)个步骤的参数来计算，同时引入一个指标函数tn(光子被大气散射的概率)来判断光子是否在视场内，光子在视场内取1，否则取0，由以上可求出光子在rn位置的探测概率pd，则n阶散射信信道的最终接收概率pn可在3n维的整体积分体积中求得。

4.根据权利要求1所述的一种非视距紫外led蒙特卡洛积分模型的多维抽样方法，其特征在于：所述步骤3中，由于采样函数fn可以任意选择，不同的采样函数可以生成不同的目标函数，将采样函数fn变为重要性采样函数，应用均匀分布对散射天顶角进行采样时，散射方位角通过进行采样，其中rand(1)表示生成一个从0到1的随机数。

5.根据权利要求1所述的一种非视距紫外led蒙特卡洛积分模型的多维抽样方法，其特征在于：所述步骤4中，在积分体积v中选择一个概率密度函数fn≠0，并将目标函数设定为：

6.根据权利要求1所述的一种非视距紫外led蒙特卡洛积分模型的多维抽样方法，其特征在于：所述步骤5中，设置最大散射阶数为4，仿真在相同系统参数时，不同采样数量下接收端概率的标准差δ通过50次模拟计算得出，然后抽样一个接收概率的标准差δ1，计算3种模型所用采样点的数量(g1,g2,g3)，数量越少说明模型的收敛速度越好。

技术总结
本发明属于无线紫外光通信技术领域，尤其为一种非视距紫外LED蒙特卡洛积分模型的多维抽样方法，该方法具体包括如下步骤：步骤1，使用紫外LED作为光源；LED光源特性分析，可以假设一个紫外LED就是一个兰伯特光源，紫外LED作为兰伯特光源时，其辐照度可由其光强度和离轴角得出，LED的光强在近轴区域分布更密集，我们假设它在不同方位角的光强分布相同。本发明，相比于以往研究中假定光源是一个强度分布均匀的点，本发明通过光强分布曲线建立了LED光源的模型，也就是用大量光子的初始分布来产生对LED光源的模拟，更符合光源分布的实际情况。

技术研发人员：唐雁峰,李修阳,张诚,陈博文,詹伟达,葛微
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14